一个建筑大师的成长史：鲁班筑天 第155章 结构冗余是什么
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时间倒回一个月。
二〇〇二年年底，设计院接到一个任务：太原市一栋老旧住宅楼的安全鉴定。
这栋楼是八十年代建的，六层砖混结构，住户反映墙体出现了裂缝，怀疑是基础沉降。张院长把这个任务交给了结构所的老陈，附带要求建筑所配合——因为梁守拙懂古建，对砖石结构有经验。
梁守拙跟着老陈去了现场。
那是一栋很普通的六层住宅楼，红砖外墙，预制板楼面，木门窗。跟太原街头数以千计的同类建筑没有任何区别。但走近了看，能发现一些问题——
北面的外墙根部和二层之间有一条贯穿的斜裂缝，从左上到右下，宽度大约三毫米。一楼的楼梯间地面有不均匀的沉降，最高处和最低处差了一公分。
这是典型的差异沉降。老陈蹲在地上，用一把卡尺量了量裂缝的宽度，这栋楼的地基可能有问题。八十年代建的房子，基础做得简单——可能就是毛石基础，底下垫一层灰土。时间长了，灰土被水泡软了，基础就不均匀沉降了。
梁守拙蹲下来，用鲁班筑眼仔细观察——他看到了基础下面的土层：东侧的土层含水量明显偏高，说明这一侧的地下水位比西侧高。长年累月，东侧的基础承受了更大的水压，逐渐下沉。
东侧的地下水比西侧高，他说，建议做一下排水处理。另外——他顿了顿，这栋楼的承重墙是240毫米的砖墙，但二层的墙体跟一层没有完全对齐——二层的一面横墙直接坐在了一层的楼板上，而不是落在下层的承重墙上。
老陈看了他一眼：你怎么看出来的？
我量了。梁守拙指了指墙上的一条线——那是他用墨线弹出的轴线位置。您看，二层的这面墙跟一层这面墙的中心线差了120毫米。一层这面墙是240厚，偏心60毫米。二层墙体的重量通过楼板传递到一层，但不是在墙的正上方——这会造成楼板的局部弯曲。
老陈的眉毛挑了起来。他拿出一个线锤，对着墙面吊了吊——果然，二层的墙确实不在一层的墙的正上方。
这个当初是怎么审的图……老陈嘟囔了一句。
八十年代的设计，标准没现在严格。梁守拙说。
但这也是安全隐患。老陈的表情变得严肃，这面墙如果在地震中出问题——上面的荷载直接压在楼板上，楼板不是设计来承受这种集中荷载的——
他没有说下去。两个人对视了一眼，都明白了。
回到设计院，老陈写了一份鉴定报告，结论是：基础差异沉降需要处理（建议注浆加固），二层墙体偏位需要加固（建议增设型钢支撑）。梁守拙负责建筑专业部分的配合——他画了一份加固方案的建筑施工图。
在这个过程中，他对砖混结构有了一次深入的理解：
砖混结构的承重体系：砖墙承重，楼板搁在墙上，荷载从上到下，通过墙体一层一层传到基础。
这个体系简单、经济，是新中国建设初期大量采用的结构形式。但它有一个致命的弱点——冗余度极低。
为什么？因为砖混结构的承重墙体是连续的、不可分割的。一面墙就是一面墙，它的承载能力取决于砖和砂浆的强度。如果一面关键承重墙出了问题——比如被拆了一段、或者因为沉降开裂了——那么它上面的所有荷载就直接失去了支撑。不像框架结构那样，一根柱子断了，荷载可以转移到相邻的柱子上去。
砖混结构的安全性，建立在每一面墙都不能出事的前提上。这就意味着——它没有冗余。
梁守拙在笔记中写下了这个结论。
然后他又想到了另一个问题——
那天晚上，他翻出Gb-2001，找到了关于砖混结构（规范中称多层砌体房屋）的章节。
Gb-2001 第7章 多层砌体房屋：
承重墙体的最小厚度：240mm（6度、7度区）
墙体的高厚比限制
圈梁和构造柱的设置要求
总高度和层数限制
他在规范中看到了一条规定：在6度和7度设防区，多层砌体房屋的总高度和层数有限制——比如7度区，粘土砖砌体房屋的总高度不超过21米，层数不超过7层。
为什么是21米？为什么是7层？他自言自语。
答案其实很简单——因为这个高度和层数是根据大量试验和震害经验统计出来的安全上限。超过这个上限，砌体结构在地震中的表现就变得不可预测了。
但梁守拙想得更深——
砌体结构的高度限制，本质上就是因为它缺乏冗余度。
框架结构可以建到50米、60米，因为即使几根柱子出了问题，其他柱子还能撑住。但砌体结构不行——一面承重墙出问题，上面的所有重量就没有着落了。
冗余度，是建筑生命力的体现。
他又想起了沈从道的话：一座老房子，一根梁断了，整栋房子会不会跟着塌？如果不会，那就是因为有冗余。
他开始在笔记本上画一个对比表：
表格
结构类型 冗余度 一处失效的后果
框架结构 较高 荷载可转移，不一定倒塌
剪力墙结构 中等 单片墙体失效，相邻墙体可分担
砌体结构 低 承重墙失效，上部结构可能直接坍塌
木构架（抬梁式） 高 单根构件失效，铺作层可转移荷载
他在最后一行画了一个圈—— 木构架的冗余度居然比砌体结构还高。
这个发现让他兴奋了一阵。中国古代以木结构为主的建筑体系，从结构冗余度的角度来看，居然比新中国大量采用的砖混结构更——不是材料更先进，而是设计理念更先进。
木构架体系本质上是一种铰接框架——梁柱之间是榫卯连接，有一定的转动能力。当某根构件承受过大的力时，榫卯可以微微转动，把力分散到其他构件上去。这就像是一群人手拉手——一个人摔倒了，其他人可以拉住他，不让他倒下。
而砌体结构是刚性连接——墙就是墙，荷载只能从上到下一步一步往下传。一个人摔倒了——因为没有人拉着他——就直直地摔到了地上。
冗余不是多出来的东西。冗余是发生时的最后防线。
他在笔记本的最后一页写下了这句话。
第二天上班，老陈找到了他。
小梁，昨天的鉴定报告你看了吗？
看了。
你的加固方案我看了，画得不错。但有一个问题——你在方案里提了一句建议增设钢筋混凝土构造柱，这个想法是对的。但你知道为什么这栋楼当初建的时候没有构造柱吗？
因为八十年代的标准没这个要求。
对。 Gb-89（旧版抗震规范）对砌体结构构造柱的要求比2001版宽松得多。 89版只要求在房屋的四个角和楼梯间设置构造柱，2001版则扩大了范围——在每隔一定距离的横墙和纵墙交接处都要设置。为什么？因为构造柱和圈梁一起，能在砌体结构中形成一个弱框架——平时不起作用，地震来的时候，构造柱和圈梁组成的框架能兜住墙体，防止墙体散架。
也就是说，构造柱和圈梁给了砌体结构人工冗余
老陈笑了：你这个说法好——人工冗余。对，就是这个意思。砌体结构本身冗余度低，但通过设置构造柱和圈梁，相当于给它加了一套保险。
梁守拙点了点头。他又学到了一课。
但他心里还在想另一件事——
如果 redundancy（冗余度）这么重要，那中国的规范体系里，有没有一个统一的、量化的冗余度指标？
答案是没有。至少在2002年，中国的设计规范中还没有明确的冗余度计算方法和验收标准。这个概念在学术界有人研究，但在工程实践中还没有被系统地应用。
这又是一个——一扇还没被推开的门。
他把这个问题记在了笔记本上，跟性能化设计放在一起。
他隐隐觉得，这两扇门——性能化设计和结构冗余——在未来的某一天，会被同时推开。而推开它们的那股力量，将来自一场始料未及的灾难。
那场灾难的名字，叫做SARS。
二〇〇二年年底，设计院接到一个任务：太原市一栋老旧住宅楼的安全鉴定。
这栋楼是八十年代建的，六层砖混结构，住户反映墙体出现了裂缝，怀疑是基础沉降。张院长把这个任务交给了结构所的老陈，附带要求建筑所配合——因为梁守拙懂古建，对砖石结构有经验。
梁守拙跟着老陈去了现场。
那是一栋很普通的六层住宅楼，红砖外墙，预制板楼面，木门窗。跟太原街头数以千计的同类建筑没有任何区别。但走近了看，能发现一些问题——
北面的外墙根部和二层之间有一条贯穿的斜裂缝，从左上到右下，宽度大约三毫米。一楼的楼梯间地面有不均匀的沉降，最高处和最低处差了一公分。
这是典型的差异沉降。老陈蹲在地上，用一把卡尺量了量裂缝的宽度，这栋楼的地基可能有问题。八十年代建的房子，基础做得简单——可能就是毛石基础，底下垫一层灰土。时间长了，灰土被水泡软了，基础就不均匀沉降了。
梁守拙蹲下来，用鲁班筑眼仔细观察——他看到了基础下面的土层：东侧的土层含水量明显偏高，说明这一侧的地下水位比西侧高。长年累月，东侧的基础承受了更大的水压，逐渐下沉。
东侧的地下水比西侧高，他说，建议做一下排水处理。另外——他顿了顿，这栋楼的承重墙是240毫米的砖墙，但二层的墙体跟一层没有完全对齐——二层的一面横墙直接坐在了一层的楼板上，而不是落在下层的承重墙上。
老陈看了他一眼：你怎么看出来的？
我量了。梁守拙指了指墙上的一条线——那是他用墨线弹出的轴线位置。您看，二层的这面墙跟一层这面墙的中心线差了120毫米。一层这面墙是240厚，偏心60毫米。二层墙体的重量通过楼板传递到一层，但不是在墙的正上方——这会造成楼板的局部弯曲。
老陈的眉毛挑了起来。他拿出一个线锤，对着墙面吊了吊——果然，二层的墙确实不在一层的墙的正上方。
这个当初是怎么审的图……老陈嘟囔了一句。
八十年代的设计，标准没现在严格。梁守拙说。
但这也是安全隐患。老陈的表情变得严肃，这面墙如果在地震中出问题——上面的荷载直接压在楼板上，楼板不是设计来承受这种集中荷载的——
他没有说下去。两个人对视了一眼，都明白了。
回到设计院，老陈写了一份鉴定报告，结论是：基础差异沉降需要处理（建议注浆加固），二层墙体偏位需要加固（建议增设型钢支撑）。梁守拙负责建筑专业部分的配合——他画了一份加固方案的建筑施工图。
在这个过程中，他对砖混结构有了一次深入的理解：
砖混结构的承重体系：砖墙承重，楼板搁在墙上，荷载从上到下，通过墙体一层一层传到基础。
这个体系简单、经济，是新中国建设初期大量采用的结构形式。但它有一个致命的弱点——冗余度极低。
为什么？因为砖混结构的承重墙体是连续的、不可分割的。一面墙就是一面墙，它的承载能力取决于砖和砂浆的强度。如果一面关键承重墙出了问题——比如被拆了一段、或者因为沉降开裂了——那么它上面的所有荷载就直接失去了支撑。不像框架结构那样，一根柱子断了，荷载可以转移到相邻的柱子上去。
砖混结构的安全性，建立在每一面墙都不能出事的前提上。这就意味着——它没有冗余。
梁守拙在笔记中写下了这个结论。
然后他又想到了另一个问题——
那天晚上，他翻出Gb-2001，找到了关于砖混结构（规范中称多层砌体房屋）的章节。
Gb-2001 第7章 多层砌体房屋：
承重墙体的最小厚度：240mm（6度、7度区）
墙体的高厚比限制
圈梁和构造柱的设置要求
总高度和层数限制
他在规范中看到了一条规定：在6度和7度设防区，多层砌体房屋的总高度和层数有限制——比如7度区，粘土砖砌体房屋的总高度不超过21米，层数不超过7层。
为什么是21米？为什么是7层？他自言自语。
答案其实很简单——因为这个高度和层数是根据大量试验和震害经验统计出来的安全上限。超过这个上限，砌体结构在地震中的表现就变得不可预测了。
但梁守拙想得更深——
砌体结构的高度限制，本质上就是因为它缺乏冗余度。
框架结构可以建到50米、60米，因为即使几根柱子出了问题，其他柱子还能撑住。但砌体结构不行——一面承重墙出问题，上面的所有重量就没有着落了。
冗余度，是建筑生命力的体现。
他又想起了沈从道的话：一座老房子，一根梁断了，整栋房子会不会跟着塌？如果不会，那就是因为有冗余。
他开始在笔记本上画一个对比表：
表格
结构类型 冗余度 一处失效的后果
框架结构 较高 荷载可转移，不一定倒塌
剪力墙结构 中等 单片墙体失效，相邻墙体可分担
砌体结构 低 承重墙失效，上部结构可能直接坍塌
木构架（抬梁式） 高 单根构件失效，铺作层可转移荷载
他在最后一行画了一个圈—— 木构架的冗余度居然比砌体结构还高。
这个发现让他兴奋了一阵。中国古代以木结构为主的建筑体系，从结构冗余度的角度来看，居然比新中国大量采用的砖混结构更——不是材料更先进，而是设计理念更先进。
木构架体系本质上是一种铰接框架——梁柱之间是榫卯连接，有一定的转动能力。当某根构件承受过大的力时，榫卯可以微微转动，把力分散到其他构件上去。这就像是一群人手拉手——一个人摔倒了，其他人可以拉住他，不让他倒下。
而砌体结构是刚性连接——墙就是墙，荷载只能从上到下一步一步往下传。一个人摔倒了——因为没有人拉着他——就直直地摔到了地上。
冗余不是多出来的东西。冗余是发生时的最后防线。
他在笔记本的最后一页写下了这句话。
第二天上班，老陈找到了他。
小梁，昨天的鉴定报告你看了吗？
看了。
你的加固方案我看了，画得不错。但有一个问题——你在方案里提了一句建议增设钢筋混凝土构造柱，这个想法是对的。但你知道为什么这栋楼当初建的时候没有构造柱吗？
因为八十年代的标准没这个要求。
对。 Gb-89（旧版抗震规范）对砌体结构构造柱的要求比2001版宽松得多。 89版只要求在房屋的四个角和楼梯间设置构造柱，2001版则扩大了范围——在每隔一定距离的横墙和纵墙交接处都要设置。为什么？因为构造柱和圈梁一起，能在砌体结构中形成一个弱框架——平时不起作用，地震来的时候，构造柱和圈梁组成的框架能兜住墙体，防止墙体散架。
也就是说，构造柱和圈梁给了砌体结构人工冗余
老陈笑了：你这个说法好——人工冗余。对，就是这个意思。砌体结构本身冗余度低，但通过设置构造柱和圈梁，相当于给它加了一套保险。
梁守拙点了点头。他又学到了一课。
但他心里还在想另一件事——
如果 redundancy（冗余度）这么重要，那中国的规范体系里，有没有一个统一的、量化的冗余度指标？
答案是没有。至少在2002年，中国的设计规范中还没有明确的冗余度计算方法和验收标准。这个概念在学术界有人研究，但在工程实践中还没有被系统地应用。
这又是一个——一扇还没被推开的门。
他把这个问题记在了笔记本上，跟性能化设计放在一起。
他隐隐觉得，这两扇门——性能化设计和结构冗余——在未来的某一天，会被同时推开。而推开它们的那股力量，将来自一场始料未及的灾难。
那场灾难的名字，叫做SARS。